CN111119729A - 一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻及其使用方法，属于冰冻圈冰情观测技术领域，所述冰钻包括手摇杆、转接头、钻身、温度传感器和钻头；所述钻身顶部固定有航空插头，在钻身外壁加工有导屑螺纹，温度传感器嵌入导屑螺纹外壁，所述温度传感器与导线一端相连，导线另一端穿过钻身内部与航空插头连接；所述钻身顶部通过转接头与手摇杆相连，所述钻身底部连接有钻头。连接航空插头与外接温度采集设备即可观测冰层垂向温度剖面；温度传感器仅保留温度探头，并嵌在导屑螺纹外壁，使温度探头与冰层之间充分接触，确保冰层垂向温度剖面测量的准确性；钻身采用耐腐蚀和高强度的非金属材料钻身，保证设备适用于海冰和淡水冰的冰温观测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻及其使用方法，属于冰冻圈冰情观测技术领域，特别涉及到一种可以连续、自动观测冰层垂向温度剖面并可以快速安装和拆卸的设备及其使用方法。
背景技术
随着“冰上丝绸之路”的提出，在冰冻圈进行的冰科学考察和工程勘察活动愈发频繁。冰层垂向温度剖面作为影响冰物理和力学性质的重要参数，需要对其进行观测。目前观测冰层垂向温度剖面的方法主要为：首先利用破冰装置(如专利号为201711241308.5的冰钻)将冰层钻出冰洞，再将温度链(如专利号为201410672291.9的温度链)放入冰洞内固定，必须等到冰洞内的水重新冻结成冰后才能对冰层垂向温度剖面进行观测，而且拆卸时需要将温度链周围的冰层完全破坏才能将温度链取出。“先钻孔，后测温”的过程费时费力，而且在冰温和气温较高的环境条件下，如夏季的北极浮冰、开河期的河冰、春季的湖冰等，冰洞内的水不会全部重新冻结，导致上述方法无法准确测量冰层垂向温度剖面。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本申请提供了一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻及其使用方法，其目的是突破传统冰温观测中“先钻孔，后测温”的方式，设计一种便于安装、使用和拆卸带的且不受环境条件限制的测温冰钻。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻，包括手摇杆、转接头、钻身、温度传感器和钻头；所述钻身顶部固定有航空插头，在钻身外壁加工有导屑螺纹，温度传感器嵌入导屑螺纹外壁，所述温度传感器与导线一端相连，导线另一端穿过钻身内部与航空插头连接；所述钻身顶部通过转接头与手摇杆相连，所述钻身底部连接有钻头。
进一步的，所述钻身采用高强度、耐低温、耐腐蚀、低导热的浅色非金属材料的圆管。
进一步的，在钻身上加工有等间距设置的倾斜导屑螺纹，所述倾斜导屑螺纹外壁加工有多个圆孔，每个圆孔底部加工导线通道至钻身内部。
进一步的，所述温度传感器去掉外部保护壳，仅保留其温度探头，嵌入导屑螺纹外壁对应的圆孔内，并用耐低温胶密封。
进一步的，每根导线经过相应的导线通道至钻身内部，并与钻身顶部的航空插头连接，钻身内部导线经过区域用耐低温胶密封。
更进一步的，转接头使用不锈钢材料，其包括连接柱和连接座，在连接座内部加工有凹腔，所述凹腔用于容置航空插头，所述连接座侧壁上设有贯通的固定孔，在连接柱上设有转接头弹簧插销。
更进一步的，手摇杆包括依次相连的上部把手、中部把手、下部连接杆，所述中部把手呈凹槽结构，其上部一端与竖直设置的上部把手相连，其下部一端与竖直设置的下部连接杆相连，在下部连接杆底部设有与转接头弹簧插销相配合的插孔。
更进一步的，在钻身底部设有钻头插销孔，该钻头插销孔与位于钻头上部的钻头弹簧插销配合相连。
一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻使用方法，具体包括如下步骤：
步骤一：将钻身顶部通过转接头与手摇杆连接，钻头连接在钻身底部；
步骤二：将冰钻竖直地立在冰面，通过旋转手摇杆将冰钻钻进冰层；
步骤三：将冰钻固定好，拆卸手摇杆和转接头，露出航空插头；将航空插头与外接温度采集设备相连，观测冰层垂向温度剖面；
步骤四：观测结束后，断开航空插头与外接温度采集设备的连接，将转接头与钻身顶部连接，手摇杆与转接头连接，通过旋转手摇杆将冰钻退出冰层。
本发明由于采用以上技术方案，能够取得如下的技术效果：设备便于操作，连接钻头、转接头和手摇杆，即可进入和退出冰层，连接航空插头与外接温度采集设备即可观测冰层垂向温度剖面；温度传感器仅保留温度探头，并嵌在导屑螺纹外壁，使温度探头与冰层之间充分接触，确保冰层垂向温度剖面测量的准确性；钻身采用耐腐蚀和高强度的非金属材料钻身，保证设备适用于海冰和淡水冰的冰温观测，同时保证设备在外力作用下不至于产生较大变形。本发明解决了传统冰层垂向温度剖面观测中“先钻孔、后测温”的二次操作难题，其结构设计新颖，操作简单，可以满足多种科学和工程目的的研究和勘察工作。
附图说明
图1为本发明所述的钻身结构示意图；
图2为图1中I处的沿其轴线的局部放大剖视图；
图3为本发明所述的转接头侧视图；
图4为本发明所述的转接头俯视图；
图5为本发明所述的钻头侧视图；
图6为本发明所述的钻头俯视图；
图7为本发明所述的手摇杆结构示意图。
图中序号说明：1、航空插头，2、钻身，3、导屑螺纹，4、温度传感器的探头，5、钻头插销孔，6、钻身内部的耐低温胶密封区域，7、导线，8、圆孔，9、导线通道，10、转接头弹簧插销，11、螺丝，12、凹腔，13、钻头弹簧插销，14、上部把手，15、中部把手，16、插孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
请参见图1至图7所示，本实施例中，钻身2采用壁厚5mm、内径20mm白色聚醚醚酮材料的圆管，管长91.5cm。钻身外壁加工有宽10mm、厚7mm的导屑螺纹3。沿钻身轴线方向，以7cm等间距在导屑螺纹外壁加工圆孔8，共加工10个圆孔。圆孔直径4mm、深2mm，圆孔底部加工导线通道9，至钻身内部。采用10只4线制pt100型铂电阻温度传感器，精度为0.01℃。铂电阻温度传感器去掉外壳，仅保留其探头4，置于对应的圆孔8内，并用耐低温胶密封。将温度传感器的导线7从导线通道9引出至钻身内部，并与钻身顶部的航空插头1连接。航空插头采用苏里奥851-06EC20-41P50型插头，并通过螺丝与钻身顶部固定。钻身内部导线穿过的部分用耐低温胶密封。钻身底部加工钻头插销孔5，用于与钻头弹簧插销13连接。
本实施例中，转接头采用不锈钢材料，其包括连接柱和连接座，所述连接座直径25mm，通过螺丝11与钻身顶部连接；连接座中加工凹腔12，凹腔尺寸可以包含航空插头1；在连接柱上加工转接头弹簧插销10，用于与手摇杆下部的插孔16连接。
本实施例中，手摇杆采用不锈钢材料，包括依次相连的上部把手、中部把手、下部连接杆，所述中部把手呈凹槽结构，其上部一端与竖直设置的上部把手相连，其下部一端与竖直设置的下部连接杆相连，在下部连接杆底部设有与转接头弹簧插销相配合的插孔。在上部把手、中部把手上分别设有塑胶套。
本实施例中，一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻使用方法如下所述：
步骤一：将凹腔12包裹于航空插头1外周，通过螺丝11连接转接头与钻身顶部；将转接头弹簧插销10穿过手摇杆下部的插孔16，连接转接头与手摇杆；将钻头弹簧插销13穿过钻身底部的钻头插销孔5，连接钻头与钻身。
步骤二：将冰钻竖直地立在冰面，双手分别握住上部把手14和中部把手15，旋转手摇杆，将冰钻钻进冰层指定深度，并固定。
步骤三：将转接头弹簧插销10退出手摇杆下部的插孔16，分离手摇杆与转接头；卸下螺丝11，分离转接头与钻身；露出航空插头1，采用40芯耐低温电缆连接航空插头与外接温度采集设备；外接温度采集设备使用锦州阳光气象科技有限公司TRD-ZS1型极地冰温记录仪，整个系统由12V蓄电池供电；供电后，开始观测冰层垂向温度剖面；
步骤四：观测结束后，断开航空插头与外接温度采集设备连接；重复步骤一，将转接头与钻身连接，手摇杆与转接头连接；反向旋转手摇杆，直至将冰钻完全退出冰层；最后，将钻头弹簧插销13退出钻身底部的钻头插销孔5，分离钻头与钻身。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻，其特征在于，包括手摇杆、转接头、钻身、温度传感器和钻头；所述钻身顶部固定有航空插头，在钻身外壁加工有导屑螺纹，温度传感器嵌入导屑螺纹外壁，所述温度传感器与导线一端相连，导线另一端穿过钻身内部与航空插头连接；所述钻身顶部通过转接头与手摇杆相连，所述钻身底部连接有钻头。
2.根据权利要求1所述一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻，其特征在于，所述钻身采用低导热浅色非金属材料的圆管。
3.根据权利要求2所述一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻，其特征在于，在钻身上加工有等间距设置的倾斜导屑螺纹，所述倾斜导屑螺纹外壁加工有多个圆孔，每个圆孔底部加工导线通道至钻身内部。
4.根据权利要求3所述一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻，其特征在于，所述温度传感器去掉外部保护壳，仅保留其温度探头，嵌入导屑螺纹外壁对应的圆孔内，并用耐低温胶密封。
5.根据权利要求4所述一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻，其特征在于，每根导线经过相应的导线通道至钻身内部，并与钻身顶部的航空插头连接，钻身内部导线经过区域用耐低温胶密封。
6.根据权利要求1所述一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻，其特征在于，转接头使用不锈钢材料，其包括连接柱和连接座，在连接座内部加工有凹腔，所述凹腔用于容置航空插头，所述连接座侧壁上设有贯通的固定孔，在连接柱上设有转接头弹簧插销。
7.根据权利要求1所述一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻，其特征在于，手摇杆包括依次相连的上部把手、中部把手、下部连接杆，所述中部把手呈凹槽结构，其上部一端与竖直设置的上部把手相连，其下部一端与竖直设置的下部连接杆相连，在下部连接杆底部设有与转接头弹簧插销相配合的插孔。
8.根据权利要求1所述一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻，其特征在于，在钻身底部设有钻头插销孔，该钻头插销孔与位于钻头上部的钻头弹簧插销配合相连。
9.一种用于冰层垂向温度剖面观测的冰钻使用方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：将钻身顶部通过转接头与手摇杆连接，钻头连接在钻身底部；
步骤二：将冰钻竖直地立在冰面，通过旋转手摇杆将冰钻钻进冰层；
步骤三：将冰钻固定好，拆卸手摇杆和转接头，露出航空插头；将航空插头与外接温度采集设备相连，观测冰层垂向温度剖面；
步骤四：观测结束后，断开航空插头与外接温度采集设备的连接，将转接头与钻身顶部连接，手摇杆与转接头连接，通过旋转手摇杆将冰钻退出冰层。
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